In this study, as a fundamental study for the remediation of the radionuclides-contaminated soil, the adsorption of cobalt, strontium, and cesium on natural soil and kaolin were experimently investigated and adsorption characteristics were evaluated by using several adsorption kinetic and isotherm m...
In this study, as a fundamental study for the remediation of the radionuclides-contaminated soil, the adsorption of cobalt, strontium, and cesium on natural soil and kaolin were experimently investigated and adsorption characteristics were evaluated by using several adsorption kinetic and isotherm models. The pseudo-first-order kinetic model (PFOM), pseudo-second-order kinetic model (PSOM), one-site mass transfer model (OSMTM), and two compartment first-order kinetic model (TCFOKM) were used to evaluate the kinetic data and the pseudo-second-order kinetic model was the best with good correlation. The adsorption equilibria of cobalt, strontium, and cesium on natural soil were fitted successfully by Redlich-Peterson and Sips models. For kaolin, the adsorption equilibria of cobalt, strontium, and cesium were fitted well by Redlich-Peterson, Freundlich, and Sips models, respectively. The amount of adsorbed radionuclides on natural soil and kaolin was in the order of cesium > strontium > cobalt. It is considered that these results could be useful to predicting the adsorption behaviors of radionuclides such as cobalt, strontium, and cesium in soil environments.
In this study, as a fundamental study for the remediation of the radionuclides-contaminated soil, the adsorption of cobalt, strontium, and cesium on natural soil and kaolin were experimently investigated and adsorption characteristics were evaluated by using several adsorption kinetic and isotherm models. The pseudo-first-order kinetic model (PFOM), pseudo-second-order kinetic model (PSOM), one-site mass transfer model (OSMTM), and two compartment first-order kinetic model (TCFOKM) were used to evaluate the kinetic data and the pseudo-second-order kinetic model was the best with good correlation. The adsorption equilibria of cobalt, strontium, and cesium on natural soil were fitted successfully by Redlich-Peterson and Sips models. For kaolin, the adsorption equilibria of cobalt, strontium, and cesium were fitted well by Redlich-Peterson, Freundlich, and Sips models, respectively. The amount of adsorbed radionuclides on natural soil and kaolin was in the order of cesium > strontium > cobalt. It is considered that these results could be useful to predicting the adsorption behaviors of radionuclides such as cobalt, strontium, and cesium in soil environments.
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문제 정의
지금까지 많은 선행 연구자들에 의해 코발트, 스트론튬, 세슘과 같은 방사성 핵종 중금속의 흡착 연구가 진행되어 왔으나(Axe와 Anderson, 1995; Ebner 등, 2001; Jeong 등, 1995; Thompson 등, 2000), 국내 자연토양 조건에서 흡착 거동을 살펴본 사례는 없다. 이에, 본 연구에서는 방사성 핵종으로 오염된 토양의 복원을 위한 기초 연구로서 국내 자연토양 (natural soil) 및 카올린(kaolin)에 대한 코발트, 스트론튬 및 세슘의 흡착 거동과 특성을 다양한 흡착 모델에 적용하여 평가하고자 하였다.
제안 방법
실험 과정에서 이산화탄소에 의한 heavy metal carbonate 착화합물 생성에 의한 실험 오차를 줄이기 위해 실험 용기를 용매로 빈틈없이 가득 채워 실험을 수행하였으며, 모든 실험은 동일 시료로 2~3차례 반복하여 수행하였다. pH 에 따른 금속이온의 존재형태를 살펴보기 위해 시뮬레이션 프로그램인 MINEQL+ version 4.0을 이용하여 분포형태를 살펴보았으며, 코발트와 세슘은 원자흡수분 광광도계(AAS, Spectra AA-250 Plus, Varian), 스트론튬은 ICP-AES (PRODIGY SPEC., Leeman Labs. Inc.)를 사용하여 정량분석 하였다.
등온 흡착 실험에서는 모든 조건을 흡착속도 실험과 동일하게 하고 코발트, 스트론튬, 세슘의 농도를 증가시키면서 실험을 수행하였다. 등온 흡착 실험은 24시간 동안 25 , 200 rpm의 교반조건에서 진행하였다.
본 연구에서는 방사성 핵종 중금속인 코발트, 스트론튬, 세슘을 대상으로 국내 자연토양 및 카올린에 대한 흡착 거동과 특성을 다양한 흡착 모델에 적용하여 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
자연토양은 대구광역시 소재 A정수장 부근 야산에서 오염되지 않은 토양을 채취하여 수일간 풍건시킨 후, 2 mm 표준체를 통과한 토양을 상온 건조하여 플라스틱 용기에 담아 상온에서 보관하며 사용하였다. 사용된 토양은 pH, 수분 함량, 원소 분석 및 XRD 분석을 통하여 기본적인 물성을 확인하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
0 g의카올린으로 모든 실험에 동일하게 적용하였다. 실험 과정에서 이산화탄소에 의한 heavy metal carbonate 착화합물 생성에 의한 실험 오차를 줄이기 위해 실험 용기를 용매로 빈틈없이 가득 채워 실험을 수행하였으며, 모든 실험은 동일 시료로 2~3차례 반복하여 수행하였다. pH 에 따른 금속이온의 존재형태를 살펴보기 위해 시뮬레이션 프로그램인 MINEQL+ version 4.
자연토양 및 카올린에 대한 코발트, 스트론튬, 세슘의 흡착실험 결과를 다음의 다양한 흡착속도 모델과 등온 흡착 모델에 적용하여 흡착 거동 및 특성을 평가 하였다.
카올린은 알루미늄의 수분을 포함한 규산염 광물로 고령토라고도 하는데, 국내에서는 주로 광물인 고령석 자연토양 및 카올린에 대한 코발트, 스트론튬, 세슘의 흡착 특성 (kaolinite) 보다는 점토와 같은 카올린 형태가 많이 산출되기 때문에 본 연구에서는 입자크기가 0.1 4.0인 카올린 시약(Sigma-Aldrich, USA)을 사용하여 방사성 핵종의 흡착 거동을 자연토양과 비교하여 살펴보았다.
흡착 실험에 앞서 용액의 pH에 따른 중금속의 침전 여부를 살펴보기 위해 0.01 M NaNO3와 200 mg/L의 코발트, 스트론튬, 세슘 이온이 존재하는 조건 하에서 pH에 따른 이들 금속 이온의 분포 형태를 시뮬레이션 하였다. 그 결과, 코발트는 pH 7 이상에서 수산화이온과 결합하여 Co(OH)2 형태로 침전되는 것으로 나타났고(Fig.
50으로 맞추기 위한 전처리 실험후, 흡착 실험을 수행하였다. 흡착속도 실험을 위해 각각 0.05 M MES buffer, 0.01 M NaNO3, 그리고 200 mg/L와 0.01 M 의 코발트, 스트론튬, 세슘을 각각 주입하고, 0.1 N HNO3 또는 0.1 N NaOH를 이용하여 pH를 5.50으로 맞추어 용액을 제조하였다. 제조된 용액을 전 처리한 흡착제가 들어있는 tube에 용액을 넣고 무게를잰 후, voltex mixer를 이용하여 토양과 용액을 고르게 섞고, shaker에 넣어 48시간 동안 흡착속도 실험(25 , 200 rpm)을 수행하였다.
대상 데이터
방사성 핵종 중금속인 코발트, 스트론튬, 세슘은 실제 방사성 폐액을 구하기가 어렵고, 실험실에서 취급의 용이성을 위해 비방사성 동위원소 시약인 Co(NO3)2와 Sr(NO3)2, 그리고 CsNO3 (Sigma-Aldich, USA)를 사용 하였다. 실험이 진행되는 동안 일정한 pH를 유지시키기 위하여 2-[N-morpholino]ethane- sulfonic acid (MES, Sigma-Aldich, USA)를 완충용액으로 사용하였으며, 문헌에 따르면 MES는 중금속의 흡착에 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다(Strawn와 Sparks, 2000).
(Sigma-Aldich, USA)를 사용 하였다. 실험이 진행되는 동안 일정한 pH를 유지시키기 위하여 2-[N-morpholino]ethane- sulfonic acid (MES, Sigma-Aldich, USA)를 완충용액으로 사용하였으며, 문헌에 따르면 MES는 중금속의 흡착에 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다(Strawn와 Sparks, 2000). 이온 강도를 일정하게 유지하기 위하여 전해질 물질로 NaNO3 (Sigma-Aldich, USA)를 사용하였으며, 실험에 사용한 흡착제의 양은 4.
실험이 진행되는 동안 일정한 pH를 유지시키기 위하여 2-[N-morpholino]ethane- sulfonic acid (MES, Sigma-Aldich, USA)를 완충용액으로 사용하였으며, 문헌에 따르면 MES는 중금속의 흡착에 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다(Strawn와 Sparks, 2000). 이온 강도를 일정하게 유지하기 위하여 전해질 물질로 NaNO3 (Sigma-Aldich, USA)를 사용하였으며, 실험에 사용한 흡착제의 양은 4.0 g의 자연토양 또는 2.0 g의카올린으로 모든 실험에 동일하게 적용하였다. 실험 과정에서 이산화탄소에 의한 heavy metal carbonate 착화합물 생성에 의한 실험 오차를 줄이기 위해 실험 용기를 용매로 빈틈없이 가득 채워 실험을 수행하였으며, 모든 실험은 동일 시료로 2~3차례 반복하여 수행하였다.
자연토양은 대구광역시 소재 A정수장 부근 야산에서 오염되지 않은 토양을 채취하여 수일간 풍건시킨 후, 2 mm 표준체를 통과한 토양을 상온 건조하여 플라스틱 용기에 담아 상온에서 보관하며 사용하였다. 사용된 토양은 pH, 수분 함량, 원소 분석 및 XRD 분석을 통하여 기본적인 물성을 확인하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
자연토양과 카올린에 대한 코발트, 스트론튬, 세슘의 흡착량 및 흡착 특성을 알아보기 위해 단일성분 등온 흡착 실험을 수행하고, 그 결과를 Freundlich, Langmuir, Sips, Redlich-Peterson model에 대하여 적용하였다 (Fig. 7 ~ 9). 또한 각각의 흡착제와 흡착질 별 적용 모델에 따른 흡착 매개변수(parameter)를 산정하여 Table 5에 나타내었다.
흡착속도 실험 결과는 pseudo-first-order kinetic model (PFOM), pseudo-second-order kinetic model (PSOM), one-site mass transfer model (OSMTM), 그리고 two compartment first-order kinetic model (TCFOKM)에 대하여 각각 적용하였으며, 그 결과를 Fig. 4 ~ 6에 나타내었다. 또한 각각의 실험 조건과 적용 모델에 따른 흡착속도 매개변수(kinetic parameter)를 산정하여 Table 2 ~ 4에 나타내었다.
성능/효과
1) 수용액 상에서 코발트 이온은 pH 7 이상에서 수산화이온과 결합하여 Co(OH)2 형태로 침전하나, 스트론튬과 세슘은 전 pH 영역에서 이온 상태로 존재함을 알수 있었다.
2) 자연토양 및 카올린에 대한 코발트, 스트론튬, 세슘의 흡착은 3 시간 이내에 흡착평형에 도달하는 것으로 나타났으며, 흡착속도 모델은 흡착제와 흡착질의 종류, 흡착질의 농도에 따라 최적 모델이 다소 상이하게나타났으나, 대체로 pseudo-second-order kinetic model (PSOM)을 적용한 경우의 결정계수(r2)가 상대적으로 높게 나타나 PSOM을 가장 잘 따르는 것으로 평가되었다.
3) 자연토양과 카올린에 대한 코발트, 스트론튬, 세슘의 흡착량은 세슘 > 스트론튬 > 코발트의 순으로 나타났다.
4) 자연토양에 대한 코발트와 스트론튬의 흡착은 Redlich-Peterson model을, 세슘의 흡착은 Sips model 을 가장 잘 따르는 것으로 평가되었으며, 카올린에 대한 코발트, 스트론튬, 세슘의 흡착은 각각 Redlich-Peterson model, Freundlich model, Sips model을 가장 잘 따르는 것으로 나타났다.
01 M NaNO3와 200 mg/L의 코발트, 스트론튬, 세슘 이온이 존재하는 조건 하에서 pH에 따른 이들 금속 이온의 분포 형태를 시뮬레이션 하였다. 그 결과, 코발트는 pH 7 이상에서 수산화이온과 결합하여 Co(OH)2 형태로 침전되는 것으로 나타났고(Fig. 1), 스트론튬과 세슘은 전 pH 영역에서 이온 상태로 존재함을 알 수 있었다(Fig. 2, 3). 따라서 본 연구에서 수행한 pH 5.
8). 등온 흡착 모델에 적용한 결과, 스트론튬의 자연토양에 대한 흡착은 Redlich-Peterson model에 가장 잘 맞는 것으로 평가되 었으며, 카올린에 대한 흡착은 Redlich-Peterson model 에는 fitting이 되지 않았고, Freundlich model을 가장잘 따르는 것으로 나타났다(Table 5). 세슘의 경우는 자연토양에 대한 흡착과 카올린에 대한 흡착 모두 Sips model을 가장 잘 따르는 것으로 나타났으며, 자연토양에의 흡착량이 카올린에의 흡착량 보다 조금 더 많은 결과를 보였다(Fig.
2, 3). 따라서 본 연구에서 수행한 pH 5.5 부근에서의 침전에 의한 영향은 없는 것으로 판단된다.
등온 흡착 모델에 적용한 결과, 스트론튬의 자연토양에 대한 흡착은 Redlich-Peterson model에 가장 잘 맞는 것으로 평가되 었으며, 카올린에 대한 흡착은 Redlich-Peterson model 에는 fitting이 되지 않았고, Freundlich model을 가장잘 따르는 것으로 나타났다(Table 5). 세슘의 경우는 자연토양에 대한 흡착과 카올린에 대한 흡착 모두 Sips model을 가장 잘 따르는 것으로 나타났으며, 자연토양에의 흡착량이 카올린에의 흡착량 보다 조금 더 많은 결과를 보였다(Fig. 9).
유사이차속도상수(k2)값으로 미루어 볼 때, 코발트의 농도에 상관없이 자연토양에서 흡착이 더 빠르게 일어나는 것으로 판단된다(Table 2). 스트론튬의 흡착속도 실험 결과에서도 1~3 시간 이내에 흡착평형에 도달하는 것으로 확인되었다(Fig. 5). 그러나 흡착속도 모델에 적용해 본 결과 스트론튬은 실험 조건별로 가장 잘 맞는 모델이 다르게 나타났다.
흡착속도 모델에 적용한 결과 자연토양에서 세슘의 흡착 거동을 가장 잘 표현하는 모델은 TCFOKM이었으며, 카올린에서의 세슘의 흡착은 PSOM에 가장 잘 맞는 것으로 분석되었다 (Table 4). 전체적으로 코발트, 스트론튬, 세슘 모두 자연토양에 대하여 3시간 이내에 흡착평형에 도달하는 것으로 나타났고, 흡착제와 흡착질의 종류, 흡착질의 농도에 따라 최적 모델이 다소 상이하게 나타났으나 대체로 PSOM을 적용한 경우의 결정계수(r2)가 높게 나타나 PSOM을 가장 잘 따르는 것으로 평가되었다.
그러나 흡착속도 모델에 적용해 본 결과 스트론튬은 실험 조건별로 가장 잘 맞는 모델이 다르게 나타났다. 전체적으로는 PSOM에 가장 잘 따르는 것으로 분석되었 으며, 유사이차속도상수(k2)로 비교했을 때 자연토양에서는 높은 농도에서, 카올린에서는 낮은 농도에서 흡착이 더 빠르게 진행되는 것으로 나타나 흡착제에 따른 뚜렷한 경향성이 나타나지는 않았다(Table 3). 세슘 역시 코발트나 스트론튬과 유사하게 3시간 이내에 흡착평형에 도달하는 것으로 나타났다(Fig.
코발트의 경우(Fig. 7), 자연토양에의 흡착량이 카올린에의 흡착량 보다 많은 것으로 나타났으며, 등온 흡착 모델 적용 결과는 자연토양과 카올린에 대한 흡착 모두 Redlich-Peterson model을 가장 잘 따르는 것으로 나타났다. 자연토양에 대한 흡착량이 카올린에 대한 흡착량보다 많게 나타난 것은 본 실험에서 사용된 자연토양의 구성 성분이 점토 성분과 소량의 유기물질로 이루어져 있어 수소결합으로 이루어져 있는 카올린에 비해 양이 온의 동형치환이 쉽고, 표면 흡착 사이트가 많기 때문인 것으로 사료된다.
코발트의 흡착속도 실험 결과 약 1~3 시간 이내에 흡착평형에 도달하는 것을 확인할 수 있었고(Fig. 4), 실험 결과를 흡착속도 모델에 적용해 본 결과 결정계수(r2)값으로 비교했을 때 모든 실험 조건에서 PSOM을 가장잘 따르는 것으로 분석되었다. 유사이차속도상수(k2)값으로 미루어 볼 때, 코발트의 농도에 상관없이 자연토양에서 흡착이 더 빠르게 일어나는 것으로 판단된다(Table 2).
6). 흡착속도 모델에 적용한 결과 자연토양에서 세슘의 흡착 거동을 가장 잘 표현하는 모델은 TCFOKM이었으며, 카올린에서의 세슘의 흡착은 PSOM에 가장 잘 맞는 것으로 분석되었다 (Table 4). 전체적으로 코발트, 스트론튬, 세슘 모두 자연토양에 대하여 3시간 이내에 흡착평형에 도달하는 것으로 나타났고, 흡착제와 흡착질의 종류, 흡착질의 농도에 따라 최적 모델이 다소 상이하게 나타났으나 대체로 PSOM을 적용한 경우의 결정계수(r2)가 높게 나타나 PSOM을 가장 잘 따르는 것으로 평가되었다.
후속연구
본 연구결과는 토양 내 방사성 핵종 중금속의 흡착 거동 및 특성을 이해하고, 예측하는데 유용한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원자력 산업에서 발생되는 폐기물을 대부분을 차지하는 것은 무엇인가?
원자력 산업에서 발생되는 폐기물은 고형폐기물과 액체폐기물이 그 대부분을 차지한다. 이들 폐기물은 일반 산업 폐기물이나 생활 폐기물과는 그 성격이 다르기 때문에 그 처리에 신중을 기해야 하며, 원자력 발전소에서 배출되는 고형폐기물의 경우에는 밀봉하여 특수한 장소에 매립하여 처리하고 있다.
137Cs, 60Co, 90Sr 등을 제거하기 위해 사용되는 전통적인 방법은 무엇인가?
액체 폐기물의 경우에 문제가 되는 방사성 핵종으로는 137Cs, 60Co, 90Sr 등을들 수 있는데, 이들 방사성 핵종들은 액체 폐기물 내에서 비교적 낮은 농도로 존재하지만 방사성 폐기물에서 발생하는 열의 대부분이 이 핵종들에 의해 나타나므로 137Cs, 60Co, 90Sr 등은 액체 폐기물에서 분리하여 처리해야 한다. 이들 방사성 핵종을 제거하기 위해 주로 사용되는 전통적인 방법으로는 공침(co-precipitation), 응집(coagulation), 이온교환(ion exchange), 용매 추출법 (solvent extraction) 및 흡착(adsorption) 등의 방법이 있고, 비교적 최근에 연구되어지고 있는 방법으로 생물축적법(bioaccumulation)을 들 수 있다(Krishna 등, 2004). 이러한 방법들 중 이온교환법은 기술 적용이 복잡하지 않고, 액상과 고상으로의 분배비가 100~10,000 정도로 효율적인 농축이 가능한 장점이 있어 여러 가지 흡착제를 이용한 수중의 방사성 핵종을 제거하는 연구가 많이 진행되어 왔다(Khan 등, 1995; Singh 등, 2011).
원자력을 사용하는 영역은 무엇인가?
20세기에 접어들면서 과학기술의 발전과 산업 활동의 증가에 따라 원자력을 동력원으로 이용하기 위한 연구가 활발하게 진행되었고, 지속적인 연구 개발에 의해 경제적이고 안전성 있는 원자력 발전소를 건설하여 운영할 수 있게 되었다. 특히, 오늘날에는 원자력의 사용 범위가 더욱 넓어져 병원, 산업 현장, 생명과학 분야 등다양한 영역에 적용되고 있다. 하지만 원자력의 이용 과정에서 발생하는 방사선 피폭 문제와 이용 종료 후 방사성 폐기물의 처리 문제로 인해 사회적으로 부정적인 시각도 함께 공존하고 있다.
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